Sistem Operasi (pertemuan 3) Memori Razief Perucha F.A Jurusan Informatika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Syiah Kuala 2012

Memori 2

Halaman Fault Time 3  Lamanya waktu untuk mengatasi kesalahan halaman disebut dengan halaman fault time.  Ada tiga faktor utama yang mempengaruhi halaman fault time ini, yaitu: 1. Melayani interupsi dari kesalahan halaman. Aktivitas yang dilakukan dalam melayani kesalahan halaman ini, yaitu: a. Memberitahu sistem operasi saat terjadinya kesalahan halaman. b. Menyimpan status dari proses bersangkutan. c. Memeriksa apakah referensi halaman yang diberikan legal atau tidak. Bila referensi yang diberikan legal maka dicari lokasi dari halaman tersebut di disk.

Halaman Fault Time 4 2. Pembacaan halaman. Aktivitas yang terjadi dalam pembacaan halaman ini, yaitu: a. Menunggu dalam antrian sampai mendapatkan giliran untuk membaca. b. Menunggu disk untuk membaca lokasi yang diminta. Disk melakukan kerja mekanis untuk membaca data sehingga lebih lambat dari memori. c. Mengirim halaman yang diminta ke memori fisik.

Halaman Fault Time 5 3. Pengulangan instruksi.  Aktivitas yang terjadi untuk mengulangi instruksi ini, yaitu: a. Interupsi proses yang sedang berjalan untuk menandakan bahwa proses yang sebelumnya terhenti akibat kesalahan halaman telah selesai dalam membaca halaman yang diminta. b. Menyimpan status dari proses yang sedang berjalan. c. Membetulkan tabel halaman untuk menunjukkan bahwa halaman yang ingin dibaca sudah ada di memori fisik. d. Mengambil kembali status proses bersangkutan untuk selanjutnya dijalankan di CPU.

Effective Access Time 6  Untuk mengetahui kinerja permintaan halaman dapat dilakukan dengan menghitung effective access time-nya.  Effective Access Time (EAT) = (1-p) x ma + p x halaman fault time  - p = kemungkinan terjadi halaman fault (0 < p < 1)  - ma = memory access time ( ns)

Effective Access Time 7  Jika p = 0 maka tidak ada kesalahan halaman, sehingga EAT = memory access time.  Jika p = 1 maka semua pengaksesan mengalami kesalahan halaman.  Untuk menghitung EAT, kita harus mengetahui waktu yang dibutuhkan untuk melayani kesalahan halaman.

Contoh penggunaan Effective Access Time 8  Diketahui waktu pengaksesan memori (ma) = 100 ns, waktu kesalahan halaman (halaman fault time) = 20 ms.  Berapakah Effective Access Time-nya?  EAT = (1-p) x ma + p x halaman fault time  = (1-p) x p x  = p p  = p nanosecond  Pada permintaan halaman diusahakan agar kemungkinan terjadinya halaman fault rendah karena bila EAT-nya meningkat, maka proses akan berjalan lebih lambat.

Persyaratan Perangkat Keras 9  Locality of References  Jika terjadi banyak kesalahan halaman maka efisiensi sistem akan menurun.  Oleh karena itu, kemungkinan terjadinya kesalahan halaman harus dikurangi atau dibatasi dengan memakai prinsip lokalitas ini.

Persyaratan Perangkat Keras 10  Locality of References  Prinsip lokalitas ini dibagi menjadi 2 bagian: 1. Temporal. Lokasi yang sekarang ditunjuk kemungkinan akan ditunjuk lagi. 1. Spatial. Kemungkinan lokasi yang dekat dengan lokasi yang sedang ditunjuk akan ditunjuk juga.

Pure Demand Paging 11  Penjalanan (running) sebuah program dimulai dengan membawa hanya satu halaman awal ke main memori.  Setelah itu, setiap kali terjadi permintaan halaman, halaman tersebut baru akan dimasukkan ke dalam memori.  Halaman akan dimasukkan ke dalam memori hanya bila diperlukan.

Multiple Page Fault 12  Kesalahan halaman yang terjadi karena satu instruksi memerlukan pengaksesan beberapa halaman yang tidak ada di memori utama.  Kejadian seperti ini dapat mengurangi kinerja dari program.  Pemberian nomor halaman melibatkan dukungan perangkat keras, sehingga ada persyaratan perangkat keras yang harus dipenuhi.

Multiple Page Fault 13  Perangkat-perangkat keras tersebut sama dengan yang digunakan untuk paging dan swapping, yaitu: 1. Tabel halaman "bit valid-tidak valid" 2. Valid ("1") artinya halaman sudah berada di memori 3. Tidak valid ("0") artinya halaman masih berada di disk. 4. Memori sekunder, digunakan untuk menyimpan proses yang belum berada di memori.  Lebih lanjut, sebagai konsekuensi dari persyaratan ini, akan diperlukan pula perangkat lunak yang dapat mendukung terciptanya pemberian nomor halaman.

Restart Instruction 14  Salah satu penanganan jika terjadi kesalahan halaman adalah kebutuhan akan pengulangan instruksi.  Penanganan pengulangam instruksi berbeda-beda tergantung pada kemungkinan terjadinya kesalahan halaman dan kompleksitas instruksi. 1. Jika kesalahan halaman terjadi saat pengambilan instruksi maka pengulangan proses dilakukan dengan mengambil instruksi itu lagi. 2. Jika kesalahan halaman terjadi saat pengambilan operan maka pengulangan proses dilakukan dengan mengambil instruksi itu lagi, men-dekode-kan, baru mengambil operan.

15  Pengulangan proses ketika instruksi memodifikasi beberapa lokasi yang berbeda, misalnya pada instruksi move character dari blok source ke blok destination dimana kedua blok tersebut tumpang tindih (overlapping) dan kesalahan halaman terjadi saat sebagian instruksi tersebut sudah dijalankan, tidak dapat dilakukan secara langsung karena ada bagian dari blok source yang telah termodifikasi.  Ada dua solusi untuk mengatasi hal ini, yaitu: a. Komputasi kode mikro dan berusaha untuk mengakses kedua ujung dari blok, agar tidak ada modifikasi halaman yang sempat terjadi.

16 b. Menggunakan register sementara (temporary register) untuk menyimpan nilai yang berada pada lokasi yang "overwritten" sehingga bila terjadi kesalahan halaman semua nilai lama dapat ditulis kembali ke memori dan pengulangan dapat dilakukan.

17 c. Pengulangan proses ketika instruksi menggunakan mode pengalamatan spesial seperti autoincrement dan autodacrement, misalnya instruksi MOV (R2)+,-(R3) yang menyalin isi lokasi yang ditunjuk register R2 ke lokasi yang ditunjuk register R3. Misalkan R2 = 10 dan R3 = 20 maka isi alamat memori 10 akan disalin ke alamat 19. Apabila terjadi kesalahan halaman saat penyimpanan ke lokasi yang ditunjuk R3 dan proses langsung terulang maka penyalinan akan dilakukan dari lokasi 11 ke lokasi 18. Solusinya yaitu dengan memakai register status khusus yang akan menyimpan angka pada register dan jumlah perubahan (modifikasi) yang dialami oleh register sehingga register dapat diubah kembali ke nilai lama dan sistem operasi dapat mengulang sebagian proses instruksi yang telah dilakukan.

Permintaan Halaman Proses 18  Seperti yang telah dibahas dalam bagian sebelumnya, memori virtual memungkinkan proses untuk berbagi pakai memori.  Proses berbagi pakai ini adalah proses berbagi pakai halaman memori virtual.  Karena setiap proses membutuhkan halaman tersendiri maka akan dibutuhkan teknik untuk mengelola halaman dan pembuatannya.  Teknik untuk mengoptimasi pembuatan dan penggunaan halaman proses adalah dengan Copy-On-Write dan Memory-Mapped-File.

Copy-On-Write 19  Dengan memanggil sistem pemanggilan fork(), sistem operasi akan membuat proses anak sebagai salinan dari proses induk.  Sistem pemanggilan fork() bekerja dengan membuat salinan alamat proses induk untuk proses anak, lalu membuat salinan halaman milik proses induk tersebut.  Tapi, karena setelah pembuatan proses anak selesai, proses anak langsung memanggil sistem pemanggilan exec() yang menyalin alamat proses induk yang kemungkinan tidak dibutuhkan.

20

Copy-On-Write 21  Oleh karena itu, lebih baik kita menggunakan teknik lain dalam pembuatan proses yang disebut sistem copy-on- write.  Teknik ini bekerja dengan memperbolehkan proses anak untuk menginisialisasi penggunaan halaman yang sama secara bersamaan.  Halaman yang digunakan bersamaan itu, disebut dengan "halaman copy-on-write", yang berarti jika salah satu dari proses anak atau proses induk melakukan penulisan pada halaman tersebut, maka akan dibuat juga sebuah salinan dari halaman itu.

Copy-On-Write 22  Sebagai contoh, sebuah proses anak hendak memodifikasi sebuah halaman yang berisi sebagian dari stack.  Sistem operasi akan mengenali hal ini sebagai copy-on-write, lalu akan membuat salinan dari halaman ini dan memetakannya ke alamat memori dari proses anak, sehingga proses anak akan memodifikasi halaman salinan tersebut, dan bukan halaman milik proses induk.  Dengan tekik copy-on-write ini, halaman yang akan disalin adalah halaman yang dimodifikasi oleh proses anak atau proses induk.  Halaman-halaman yang tidak dimodifikasi akan bisa dibagi untuk proses anak dan proses induk.

Copy-On-Write 23  Saat suatu halaman akan disalin menggunakan teknik copy-on- write, digunakan teknik zero-fill-on-demand untuk mengalokasikan halaman kosong sebagai tempat meletakkan hasil duplikat.  Halaman kosong tersebut dialokasikan saat stack atau heap suatu proses akan diperbesar atau untuk mengatur halaman copy- on-write.  Halaman Zero-fill-on-demand akan dibuat kosong sebelum dialokasikan, yaitu dengan menghapus isi awal dari halaman.  Karena itu, dengan copy-on-write, halaman yang sedang disalin akan disalin ke sebuah halaman zero-fill-on.  Teknik copy-on-write digunakan oleh beberapa sistem operasi seperti Windows 2000, Linux, dan Solaris2.

24

Copy-On-Write 25  Dengan COW, beberapa proses dapat berbagi pakai halaman yang sama, namun jika ada salah satu proses akan menulis atau melakukan modifikasi, maka dibuat halaman baru (sebagai salinan dari halaman copy-on-write).  Pada halaman salinan tersebut proses melakukan modifikasi.  Halaman yang lama tetap.  Halaman Copy-On-Write diberi tanda sebagai "halaman Copy-On-Write" dan bersifat "read only", sedangkan halaman salinan tidak diberi tanda dan bisa dimodifikasi.

Copy-On-Write 26  Misalkan, halaman C digunakan bersama oleh proses 1 dan proses 2.  Ketika proses 1 akan melakukan modifikasi terhadap halaman C, maka sistem operasi membuat halaman baru sebagai salinan dari halaman C yang ditunjuk oleh proses 1.  Proses 1 melakukan modifikasi pada halaman yang baru tersebut (ditunjuk oleh proses 1), sedangkan halaman C tetap (ditunjuk oleh proses 2).

Copy-On-Write 27  Untuk menentukan halaman baru sebagai salinan dari halaman Copy-On-Write tersebut Sistem Operasi harus mengetahui letak halaman-halaman yang kosong.  Beberapa Sistem Operasi menyediakan pool dari halaman- halaman yang kosong.  Selain untuk salinan dari halaman Copy-On-Write, halaman-halaman kosong tersebut disediakan untuk proses yang melakukan penambahan stack atau heap.

Copy-On-Write 28  Teknik yang biasa digunakan oleh sistem operasi untuk menyediakan halaman tersebut disebut zero-fill-on- demand.  Teknik ini dilakukan dengan mengosongkan halaman- halaman sebelum digunakan oleh proses yang baru.

Keuntungan teknik COW 29  Jika tidak ada modifikasi pada halaman maka pembuatan salinan dari halaman tidak akan pernah dilakukan atau jumlah memori fisik yang dialokasikan untuk proses tidak pernah bertambah sampai terjadi penulisan data.  Penggunaan memori fisik sangat jarang, memori fisik baru digunakan hanya jika terjadi penyimpanan data.

Kekurangan teknik COW: 30  Bertambahnya kompleksitas pada level kernel, pada saat kernel menulis ke halaman, maka harus dibuat salinan halaman jika halaman tersebut diberi tanda COW.

Memory-Mapped Files 31  Memory-Mapped Files adalah teknik yang digunakan untuk pengaksesan file, dimana blok berkas dalam disk dipetakan ke halaman memori.  File tersebut belum berada dalam memori.  Karena pengaksesan berkas dilakukan melalui demand paging, akses kali pertama pada berkas akan menghasilkan halaman fault.  Namun sesudah itu sebagian dari halaman berkas akan dibaca dari sistem berkas ke memori fisik.

Memory-Mapped Files 32  Selanjutnya pembacaan dan penulisan pada berkas dilakukan dalam memori.  Hal ini menyederhanakan pengaksesan dan penggunaan berkas daripada pengaksesan langsung ke disk melalui sistem call read() dan write().  Bila terjadi penulisan/perubahan pada bagian berkas dalam memori, perubahan ini tidak langsung dilakukan pada berkas dalam disk.  Beberapa sistem operasi melakukan perubahan secara periodik dengan memeriksa apakah ada perubahan pada berkas atau tidak.  Ketika berkas ditutup semua perubahan ditulis ke disk dan berkas dihapus dari memori virtual.

Implementasi Memory-Mapped File (MMF) 33  Pada beberapa sistem operasi, MMF dilakukan dengan menggunakan sistem call khusus sementara sistem call biasa digunakan untuk berkas M/K yang lainya.  Pada beberapa sistem lain, walaupun sistem call khusus untuk MMF ada, semua berkas akan dipetakan meskipun file tersebut tidak ditandai sebagai berkas MMF.  Pada Solaris misalnya, sistem ini memiliki sistem call mmap() untuk mengaktifkan MMF.  Namun Solaris tetap akan memetakan file yang diakses menggunakan sistem call open(), read() dan write().

Implementasi Memory-Mapped File (MMF) 34  MMF juga dapat memetakan banyak proses pada berkas yang sama secara bersamaan sehingga proses-proses tersebut dapat saling berbagi data.  Pada multiproses, perubahan yang dibuat oleh salah satu proses dapat dilihat oleh proses lainnya.  MMF juga mendukung teknik COW.  Jika ditambahkan teknik COW, halaman yang dipetakan berada dalam mode read only dan apabila ada proses yang merubah isi berkas maka proses tersebut akan diberi salinan halaman yang akan dirubahnya sehingga perubahan yang terjadi tidak dapat dilihat oleh proses lain.

Implementasi Memory-Mapped File (MMF) 35  Dalam beberapa hal, sharing memori pada MMF sama dengan sharing memori yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya.  Unix dan Linux menggunakan mekanisme yang berbeda untuk MMF dan sharing memori, untuk MMF digunakan sistem call mmap(), sedangkan untuk sharing memori digunakan sistem call shmget() dan shmat().  Pada Windows NT, 2000, dan XP penerapan sharing memori dilakukan dengan mekanisme MMF.

36

Berbagi Memori Dalam Win32API 37  Untuk melakukan sharing memori menggunakan MMF, pertama kali harus dibuat (create) pemetaan berkas dari disk ke memori.  Setelah itu, dibuat view dari berkas tersebut pada alamat virtual proses.  Proses kedua (lainnya) dapat membuka dan membuat view dari berkas tersebut dalam ruang alamat virtualnya.  Pemetaan berkas ini merupakan representasi sharing memori, dimana proses dapat berkomunikasi satu sama lain.

Berbagi Memori Dalam Win32API 38  Misalnya pada proses produsen dan konsumen.  Produsen membuat obyek sharing memori menggunakan fasilitas memori mapped-file Win32 API.  Kemudian produsen menulis pesan ke dalam memori tersebut.  Setelah itu, konsumen dapat membuat pemetaan ke obyek sharing memori tersebut, membukanya, dan membaca pesan yang ditulis oleh produsen.

MMF pada Win32 API 39

MMF pada Win32 API 40  Untuk membuat memori mapped file, proses harus membuka (open) berkas yang akan dipetakan dengan fungsi CreateFile().  Kemudian proses memetakan berkas dengan fungsi CreateFileMapping().  Setelah berkas dipetakan maka view dari file dapat dimunculkan pada alamat virtual proses dengan menggunakan fungsi MapViewOfFile().

MMF pada Win32 API 41  Fungsi CreateFileMapping() akan membuat obyek sharing memori yang disebut SharedObject.  Konsumen dapat berkomunikasi menggunakan sharing memori dengan membuat pemetaan ke obyek dengan nama yang sama.  Sementara fungsi MapViewOfFile() akan memunculkan pointer pada obyek shared-memori, seluruh akses pada bagian memori ini merupakan akses pada memory- mapped file.

Kelebihan Memory-Mapped Files 42  Akses pada berkas dilakukan dengan pointer, tidak langsung dengan sistem call read() dan write().  Akses dapat dilakukan secara acak.  "On demand loading", permintaan M/K baru akan terjadi kalau berkas/bagian berkas yang bersangkutan di akses.  Data/bagian berkas yang tak terpakai akan di-swap out.

Kelemahan Memory-Mapped Files 43  Bila terjadi penambahan berkas harus dibuat MMF yang baru.  Proses M/K secara asinkron tidak dapat dilakukan, semuanya dilakukan per blok.  Kadang-kadang terjadi bug ketika OS menulis ke dalam file.